JP4399033B2 - 補修方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、揮発性汚染物を補修（ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）するための現場での熱脱着方法に関する。
発明の背景
土壌から揮発性汚染物をその場で除去するための熱脱着方法を、例えばＵ．Ｓ．特許第４，９７３，８１１、５，０７６，７２７、５，１５２，３４１、５，１９０，４０５、５，１９３，９３４、５，２１１，８２７及び５，２７１，６９３号が提案している。熱を加える方法には、電極間抵抗加熱を伴うマイクロ波及びラジオ波電力；熱ガス注入；及び土壌間電気伝導を含む。熱注入坑井からの伝導熱伝達が、例えばＵ．Ｓ．特許５，１９０，４０５及び５，２７１，６９３が提案されている。Ｕ．Ｓ．特許５，２７１，６９３は、ヒーター坑井（ｈｅａｔｅｒ ｗｅｌｌ）を介して地質から蒸気を抽出するヒーター坑井を提案している。Ｕ．Ｓ．特許５，４４９，２５１は、加熱後、地質から汚染物を除去するために、水蒸気注入坑井のクラスター及び中央抽出坑井の使用を開示している。
これらの方法は、一般に、汚染物の初期地点から回収可能地点までの移動の制御を、表層又は蒸気抽出坑井（ｗｅｌｌｂｏｒｅ）での低圧保持に頼っている。土壌を通る蒸気の有意な流量の流れを引き起こすためには、比較的大きな差圧が必要なので、これらの方法では低い加熱速度しかかけられず、また、気化汚染物の存在する地点に、気化汚染物を初期汚染土壌から汚染物除去の規定方向以外の方向に逃がしてしまうのに充分な圧力が発生する。請求項１のプレアンブルに従う方法が、米国特許明細書第５，３６０，０６７から公知である。該公知方法において、炭化水素汚染物は燃やされ、その燃焼ガスが汚染地質内に再注入される。該公知方法は、依然、未燃焼気化汚染物が汚染地質から他の地層中へ下方向に移動するという危険を伴う。本発明の目的は、その場加熱によって汚染土壌から汚染物を除去する方法であって、気化した汚染物を汚染土壌の下方向に移動させない方法を提供することにある。
発明の要旨
これ及びその他の目的は、土壌の汚染容積（ｖｏｌｕｍｅ）から揮発性液状汚染物を除去するための方法により達成され、該汚染容積は土壌の非汚染層よりも上に位置し、前記方法は、１個の坑井が該汚染容積を貫通し、かつ少なくとも１個の坑井が非汚染層を貫通するように、少なくとも１個の坑井で該汚染容積を貫通する工程；汚染層に隣接する該非汚染層の実質的部分の温度が汚染液の沸点以上になるまで、該非汚染層内の坑井から非汚染層へ熱を加える工程；及び、該汚染容積へ、汚染容積内の坑井から熱を加える工程からなり、ここで該汚染層に隣接する該非汚染層の実質的部分が汚染液の沸点付近になった後に、該汚染容積の温度が汚染液体の沸点まで上昇させる。
該坑井は、好ましくは汚染土壌を垂直に貫通し、そして、汚染土壌内に発生した蒸気を坑井を介して除去可能なように孔があけられている。意外にも、汚染容積下の土壌層を加熱して汚染土壌下の汚染物の凝縮を防ぐと、汚染容積内の汚染物が気化するときに、それらは下向きに移動せずに、表層又は回収用有孔坑井に向かって押しやられることが見い出された。
好適な実施態様の説明
本発明は、熱補修方法において気化される汚染物を封じ込める（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）問題に向けられている。浄化すべき土壌の温度を汚染土壌内の液体の沸点付近へ上昇させる前に、汚染物よりも下の土壌を加熱することが、蒸気の下方向移動を効果的にブロックすることを見い出した。
本発明の方法によって汚染土壌から除去し得る揮発性汚染物は、広くさまざまな汚染物である。一般的に揮発性とみなされる汚染物（例えばガソリン）を、本発明により補修することができるが、はるかに重質な炭化水素及び高沸点物質も本発明により気化除去することができる。例えば、ポリ塩化ビフェニル類（「ＰＣＢ」）、水銀、及び人造ガスプラントで発生する重油を、本発明によって蒸気として除去することができる。温度がこれらの物質の標準沸点に達しない場所でさえ、水蒸気が発生し、そして汚染物の限られた蒸気圧でも、十分量の水蒸気が汚染物を除去することになる。
本発明の坑井は、石油産業で利用されるようなケースに入れられ、そしてセメントで固められた坑井でよいが、そのような精巧な坑井は、多くの用途には適当でないかもしれない。層から除去される蒸気が清浄な表土を確実に汚染しないようにするために浅いケーシングを設けてもよい。坑井を試掘孔底に納めるときは、石油産業に周知な方法によって坑井を穿孔してもよい。坑井は、垂直でも水平でもよく、あるいは垂直と水平の間で傾けてもよい。
汚染容積へ、そして好ましくは汚染土壌の容積より下の非汚染土壌の層へ、熱を坑井からの伝導によって与えることができる。伝導用の熱を地質中へ提供するために坑井を加熱するのに有用な坑井ヒーターは、公知である。例えば、ガス燃焼坑井ヒーターが、Ｕ．Ｓ．特許第２，９０２，２７０及び３，１８１，６１３に教示され、これらを本明細書に参考として編入する。電気坑井ヒーターが、例えばＵ．Ｓ．特許第５，０６０，２８７に教示され、これらを本明細書に参考として編入する。好ましいガス燃焼坑井ヒーターは、例えばＵ．Ｓ．特許第５，２５５，７４２に教示され、これらを本明細書に参考として編入する。
熱が伝導により汚染容積に加えられ、好ましくは、汚染物含有蒸気を坑井から除去するための吸引源としても働く坑井から熱が加えられる。したがって、この好適実施態様では、気化汚染物は、地層から回収用坑井に直接運ばれ、汚染物が凝縮し得る低温土壌へ運ばれる可能性がないので、凝縮の起こる場所での汚染物濃度の増大を引き起こさない。
非汚染層の加熱は、場合により、熱流体、例えば水蒸気、燃焼ガス又は加熱窒素を注入することによって行ってもよい。
熱が土壌に加えられる間、熱により蒸気が発生するまでは、通常ほとんど何も起こらない。汚染物が、軽揮発性成分（標準沸点が水の沸点よりも低い）、例えばガソリンであれば、初期に発生する蒸気は、比較的高濃度の汚染物を含む。より重質の汚染物は、土壌中に存在する水から水蒸気が発生するにしたがって、該水蒸気中の重質汚染物の蒸気圧のために気化される。汚染物内の圧力がより低く保持されるほど、蒸気内の重質汚染物の濃度が高くなるので、汚染物を気化するために注入するのに必要な熱がより少なくなる。もし、汚染物が水に不溶であれば、その地点の土壌内圧力にて、水の沸点付近で水蒸気が発生するであろう。非汚染層が汚染液の沸点に達する前に、汚染土壌を加熱することができるが、非汚染土壌層がそのような温度に達する前は、汚染物の気化（したがって移動）を防ぐために、汚染容積の温度を汚染領域中の液体の沸点より低く保持すべきである。
本発明に従う坑井は、水平又は垂直の坑井であり得る。垂直坑井は、好ましくは汚染容積を通って汚染容積下の非汚染層中に延在する。その汚染容積下深さは、坑井間の距離を考慮して選択される。典型的には、坑井間距離の約１／３が、非汚染層への熱注入を提供するのに十分な汚染物下坑井を用意する。
本発明の好ましい実施態様では、坑井は、地層から気化物質を除去し、かつヒーターの場所としての導管を規定する。好ましくは、土壌から汚染物を排気するためにケーシング内を、負圧に維持する。各ケーシング内には２個の発熱素子を設置でき、１個は汚染容積内にあり、１個は汚染容積下の層内にある。発熱素子が汚染容積を通して熱を供給し、そして適宜、汚染容積下の非汚染層内に延在している。適宜、第二の発熱素子が、汚染容積下の坑井部分に熱を供給することができる。もし、１個の発熱素子がより大きな熱放出（典型的には、単位長さにつき約５０％多い熱）を汚染容積下に供給して、汚染容積下の層内の温度が汚染容積内で液体の沸点付近に達してから、汚染容積内でそのような温度が達成されるように設計されるなら、１個の発熱素子を設けることでよい。これは、異なる素子直径を有する１個のヒーターを設けることにより達成することができる。例えばニクロム線発熱体を使用するとともに、その素子は、汚染領域では直径０．３２ｃｍを有し、非汚染領域では０．２６ｃｍの直径を有する。分割ヒーターを設けるのが好ましく、なぜなら、補修を通じて熱流束にそのような差を設けることは、エネルギー効率的でなく、かつ、ケーシング温度の制約から汚染領域内の熱流束を顕著に制限するからである。また、分割ヒーターを使用する場合、最初に汚染領域下の層内のヒーターをつけ、その後、他のヒーターを使用する少なくとも一部の時間、エネルギーコスト削減のために消すことができる。ケーシングは、表土内で保温されるか、または、上記からの汚染物がケーシング内で確実に凝縮しないように追加のヒーターが具備される。
電気抵抗ヒーターを述べているが、他のヒータータイプを設けてもよい。電気ヒーターは、制御が利便で、かつケーシング内に流動径路を必要としないために、汚染土壌からの蒸気の流れのためのより多くの余地を残す。
熱を注入し、そして蒸気を除去するために具備される追加の坑井は、好ましくは汚染容積を囲む土壌内に設けられ、汚染物が初期汚染容積から確実に逃げないようにする。
汚染容積は、表土の下に見られるが、もし、土壌が表層まで加熱されることになるなら、地上に保温が設けられる。また、汚染容積が表面近くへ延在しているなら、表面に蒸気密封機構（ｖａｐｏｕｒ ｓｅａｌ）を設けて、過剰量の空気が汚染容積内に引き込まれるのを防ぎ、かつ汚染蒸気の大気への流出を防ぐことが有益である。もし、汚染容積が表層に延在していれば、表面から熱を加えるために表面ヒーターが設けられる。
蒸気は、好ましくは汚染容積内に延在する坑井を通って除去され、そして、これらの蒸気は、その後、汚染物を除去するために当分野に公知の方法によって処理される。例えば、汚染物を酸化するために加熱式オキシタイザー（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄｉｚｅｒ）を設け、その後、残った蒸気流をカーボンベッドに通して、残った汚染物及び／又は汚染物の酸化生成物を回収する。坑井及び地層内の低い絶対圧を維持するために、一般に、送風機が設けられる。低圧は、水及び汚染物が汚染土壌内で気化する温度を下げるので有益である。減圧もまた、蒸気が大気へ流出するのを防ぐ。
ヒーター及び吸引坑井の配列は、好ましくは汚染土壌へ均一な熱を与え、そして、汚染土壌の補修を終えるのに必要な時間を削減するように定められる。利便には、三角形又は正方形の配列がなされる。正方形又は三角形又の配列内の坑井間距離は、例えば０．９〜６ｍである。この間隔が比較的近いと、土壌を通した伝導による熱伝達が比較的ゆるやかなので好ましい。
同様に、非汚染土壌の層が汚染容積上に位置するなら、汚染容積下に加えて、汚染容積上に余剰の熱を加える。この余剰の熱は、分割ヒーターから、又は汚染容積上の非汚染土壌層内により大きな熱放出を与えるように設計された発熱素子から加えられる。
ヒーター−吸引坑井の配列は、好ましくは汚染土壌の周囲を越えて広がる。汚染容積下の層と同様に、好ましくは、汚染土壌を汚染土壌内の液体の沸点より上へ加熱する前に、汚染土壌の周囲を囲む輪が、その輪中の液体の沸点付近まで加熱される。別法として、汚染物は、バリア、例えば用地内に打ち込んだ金属シーリング、又は狭溝に流し込んだセメントもしくはスラリーによって横へは抑制される。
実施例
清浄なボトム層内と、汚染物（例えばＰＣＢ）を模倣するためのウインターグリーン（サリチル酸メチル）油を量を変えて入れたトップ層内とに濡れた砂を詰めた砂詰めガラスカラム中で、汚染土壌を汚染土壌下から加熱する重要性を証明する。サリチル酸メチルは、水よりデンスであり、水中に沈む傾向がある。器具は、内径７．６ｃｍ、９１．５ｃｍ長のガラスカラムで構成した。トップから真空に引いた。若干の減圧（水約２．５４ｃｍ）をカラムのトップで維持して、ウインターグリーンの気化油を除去した。フレキシブルヒーターをガラス外回りに巻いて、ヒーターの回りに３．２ｃｍ厚の保温を巻くことにより、熱を加えた。。使用ヒーターは、抵抗１７オーム、４３ｃｍ幅×３０．５ｃｍ高さであり、ヒューストン、テキサス州、Ｕ．Ｓ．ＡのＭｉｎｃｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．から入手できる。ウインターグリーンを含むセクションの回りに１個のヒーターを巻き、別のヒーターをカラムのボトムセクションの回りに巻いた。本発明の実施例では、最初にボトムヒーターをつけ、清浄砂の温度がウインターグリーン油の沸点に達した後に、トップヒーターをつけた。比較例Ｃ１〜Ｃ３では、ボトムヒーターを使用しなかった。各例において、ガラスカラムのボトム部分には清浄砂を置き、そして、もう一部分の砂をウインターグリーン油と混ぜ、清浄な砂のトップに置いた。砂温度が約２５０℃に達するまで加熱を続けた後、カラムを冷却し、トップとボトムの砂内のウインターグリーン油の濃度を測定した。
表は、実施例１〜１０及び比較例Ｃ１〜Ｃ３の結果をまとめたものである。初期油分は、カラムのトップ２０ｃｍにおけるウインターグリーン油の重量％である。最終トップ油濃度は、トップセクションを約２５０℃まで加熱し、冷却した後のカラムのトップセクションからのサンプルの油分である。カラムのボトムの最終油分は、カラムを加熱及び冷却した後のボトムセクションに見られる最大油濃度である。
各運転において、カラム内の温度は、水の沸点に到達するまで定常的に上昇させた後、水が気化するまで一定に保持した。次いで、温度を、再び、ウインターグリーン油の沸点に到達するまで、定常的に上昇させ、次いで、ウインターグリーン油が本質的に気化するまで一定に保持し、そして再び上昇させた。

比較例Ｃ１、Ｃ２及びＣ３では、トップセクションにおける初期油濃度が高いほど、汚染物が下の清浄な砂内に多く凝縮する。ボトムセクションを最初に加熱する実施例（実施例１、２及び３）では、油が下の清浄な砂内に実質的に凝縮しない。

Claims (11)

1. 土壌の汚染容積から揮発性液状汚染物を除去する方法であって、該汚染容積は土壌の非汚染層よりも上又は下に位置し、１個の熱注入坑井が該汚染容積を貫通し、かつ少なくとも１個の坑井が非汚染層を貫通するように、少なくとも１個の坑井で該汚染容積を貫通することを含む方法において、さらに
   汚染層に隣接する該非汚染層の実質的部分の温度が汚染液の沸点以上になるまで、該非汚染層内の坑井から非汚染層へ熱を加える工程；及び、
   該汚染容積へ、汚染容積内の坑井から熱を加える工程
   を含み、ここで、該汚染層に隣接する該非汚染層の実質的部分が汚染液の沸点付近になった後に、該汚染容積の温度を汚染液体の沸点まで上昇させることを特徴とする、前記方法。
2. 気化汚染物を汚染容積から少なくとも１個の吸引坑井を通して除去する工程をさらに含み、ここで該吸引坑井内を減圧に維持する、請求項１に記載の方法。
3. 該吸引坑井が、汚染容積に熱を加える坑井でもある、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１個の坑井が、汚染容積に貫入し、かつ汚染容積から非汚染層まで延在する、請求項１に記載の方法。
5. 吸引坑井が配列をなしている、請求項３に記載の方法。
6. 配列内の坑井が、約０．９〜約６ｍだけ隔てられている、請求項５に記載の方法。
7. 非汚染層に貫入する少なくとも１個の坑井が、本質的に水平な坑井である、請求項１に記載の方法。
8. 非汚染層に貫入する少なくとも１個の坑井が、汚染容積にも貫入した本質的に垂直な坑井である、請求項１に記載の方法。
9. 非汚染層内の坑井から非汚染層に熱を加える、請求項１に記載の方法。
10. 汚染容積が、非汚染層の下にあり、さらに、汚染容積を汚染液の標準沸点まで加熱する前に、汚染容積上の非汚染層の温度を、汚染液の標準沸点より上の温度まで上げる工程を含む、請求項１に記載の方法。
11. 汚染容積及び非汚染層へ電気発熱素子から熱を加え、該電気発熱素子が、汚染容積内の坑井を通って非汚染層内の坑井まで延在し、該電気発熱素子が、非汚染層内での直径よりも汚染容積内での直径の方が大きい直径を有する線である、請求項８に記載の方法。